За время, прошедшее с момента ее появления в 1969 году, система UNIX стала довольно популярной и получила распространение на машинах с различной мощностью обработки, от микропроцессоров до больших ЭВМ, обеспечивая на них общие условия выполнения программ. Система делится на две части. Одну часть составляют программы и сервисные функции, то, что делает операционную среду UNIX такой популярной; эта часть легко доступна пользователям, она включает такие программы, как командный процессор, обмен сообщениями, пакеты обработки текстов и системы обработки исходных текстов программ. Другая часть включает в себя собственно операционную систему, поддерживающую эти программы и функции. В этой книге дается детальное описание собственно операционной системы. Основное внимание концентрируется на описании системы UNIX версии V, распространением которой занимается корпорация AT&T, при этом рассматриваются интересные особенности и других версий. Приводятся основные информационные структуры и алгоритмы, используемые в операционной системе и в конечном итоге создающие условия для функционирования стандартного пользовательского интерфейса.

Данная глава служит введением в систему UNIX. В ней делается обзор истории ее создания и намечаются контуры общей структуры системы. В следующей главе содержится более детальная вводная информация по операционной системе.

В 1965 году фирма Bell Telephone Laboratories, объединив свои усилия с компанией General Electric и проектом MAC Массачусетского технологического института, приступили к разработке новой операционной системы, получившей название Multics [Organick 72]. Перед системой Multics были поставлены задачи — обеспечить одновременный доступ к ресурсам ЭВМ большого количества пользователей, обеспечить достаточную скорость вычислений и хранение данных и дать возможность пользователям в случае необходимости совместно использовать данные. Многие разработчики, впоследствии принявшие участие в создании ранних редакций системы UNIX, участвовали в работе над системой Multics в фирме Bell Laboratories. Хотя первая версия системы Multics и была запущена в 1969 году на ЭВМ GE 645, она не обеспечивала выполнение главных вычислительных задач, для решения которых она предназначалась, и не было даже ясно, когда цели разработки будут достигнуты. Поэтому фирма Bell Laboratories прекратила свое участие в проекте.

По окончании работы над проектом Multics сотрудники Исследовательского центра по информатике фирмы Bell Laboratories остались без «достаточно интерактивного вычислительного средства» [Ritchie 84a]. Пытаясь усовершенствовать среду программирования, Кен Томпсон, Дэннис Ричи и другие набросали на бумаге проект файловой системы, получивший позднее дальнейшее развитие в ранней версии файловой системы UNIX. Томпсоном были написаны программы, имитирующие поведение предложенной файловой системы в режиме подкачки данных по запросу, им было даже создано простейшее ядро операционной системы для ЭВМ GE 645. В то же время он написал на Фортране игровую программу «Space Travel» («Космическое путешествие») для системы GECOS (Honeywell 635), но программа не смогла удовлетворить пользователей, поскольку управлять «космическим кораблем» оказалось сложно, кроме того, при загрузке программа занимала много места. Позже Томпсон обнаружил малоиспользуемый компьютер PDP-7, оснащенный хорошим графическим дисплеем и имеющий дешевое машинное время. Создавая программу «Космическое путешествие» для PDP-7, Томпсон получил возможность изучить машину, однако условия разработки программ потребовали использования кросс-ассемблера для трансляции программы на машине с системой GECOS и использования перфоленты для ввода в PDP-7. Для того, чтобы улучшить условия разработки, Томпсон и Ричи выполнили на PDP-7 свой проект системы, включивший первую версию файловой системы UNIX, подсистему управления процессами и небольшой набор утилит. В конце концов, новая система больше не нуждалась в поддержке со стороны системы GECOS в качестве операционной среды разработки и могла поддерживать себя сама. Новая система получила название UNIX, по сходству с Multics его придумал еще один сотрудник Исследовательского центра по информатике Брайан Керниган.

Несмотря на то, что эта ранняя версия системы UNIX уже была многообещающей, она не могла реализовать свой потенциал до тех пор, пока не получила применение в реальном проекте. Так, для того, чтобы обеспечить функционирование системы обработки текстов для патентного отдела фирмы Bell Laboratories, в 1971 году система UNIX была перенесена на ЭВМ PDP-11. Система отличалась небольшим объемом: 16 Кбайт для системы, 8 Кбайт для программ пользователей, обслуживала диск объемом 512 Кбайт и отводила под каждый файл не более 64 Кбайт. После своего первого успеха Томпсон собрался было написать для новой системы транслятор с Фортрана, но вместо этого занялся языком Би (B), предшественником которого явился язык BCPL [Richards 69]. Би был интерпретируемым языком со всеми недостатками, присущими подобным языкам, поэтому Ричи переделал его в новую разновидность, получившую название Си (C) и разрешающую генерировать машинный код, объявлять типы данных и определять структуру данных. В 1973 году система была написана заново на Си, это был шаг, неслыханный для того времени, но имевший огромный резонанс среди сторонних пользователей. Количество машин фирмы Bell Laboratories, на которых была инсталлирована система, возросло до 25, в результате чего была создана группа по системному сопровождению UNIX внутри фирмы.

В то время корпорация AT&T не могла заниматься продажей компьютерных продуктов в связи с соответствующим соглашением, подписанным ею с федеральным правительством в 1956 году, и распространяла систему UNIX среди университетов, которым она была нужна в учебных целях. Следуя букве соглашения, корпорация AT&T не рекламировала, не продавала и не сопровождала систему. Несмотря на это, популярность системы устойчиво росла. В 1974 году Томпсон и Ричи опубликовали статью, описывающую систему UNIX, в журнале Communications of the ACM [Thompson 74], что дало еще один импульс к распространению системы. К 1977 году количество машин, на которых функционировала система UNIX, увеличилось до 500, при чем 125 из них работали в университетах. Система UNIX завоевала популярность среди телефонных компаний, поскольку обеспечивала хорошие условия для разработки программ, обслуживала работу в сети в режиме диалога и работу в реальном масштабе времени (с помощью системы MERT [Lycklama 78a]). Помимо университетов, лицензии на систему UNIX были переданы коммерческим организациям. В 1977 году корпорация Interactive Systems стала первой организацией, получившей права на перепродажу системы UNIX с надбавкой к цене за дополнительные услуги,[1] которые заключались в адаптации системы к функционированию в автоматизированных системах управления учрежденческой деятельностью. 1977 год также был отмечен «переносом» системы UNIX на машину, отличную от PDP (благодаря чему стал возможен запуск системы на другой машине без изменений или с небольшими изменениями), а именно на Interdata 8/32.

С ростом популярности микропроцессоров другие компании стали переносить систему UNIX на новые машины, однако ее простота и ясность побудили многих разработчиков к самостоятельному развитию системы, в результате чего было создано несколько вариантов базисной системы. За период между 1977 и 1982 годом фирма Bell Laboratories объединила несколько вариантов, разработанных в корпорации AT&T, в один, получивший коммерческое название UNIX версия III. В дальнейшем фирма Bell Laboratories добавила в версию III несколько новых особенностей, назвав новый продукт UNIX версия V,[2] и эта версия стала официально распространяться корпорацией AT&T с января 1983 года. В то же время сотрудники Калифорнийского университета в Бэркли разработали вариант системы UNIX, получивший название BSD 4.3 для машин серии VAX и отличающийся некоторыми новыми, интересными особенностями. Основное внимание в этой книге концентрируется на описании системы UNIX версии V, однако время от времени мы будем касаться и особенностей системы BSD.

К началу 1984 года система UNIX была уже инсталлирована приблизительно на 100000 машин по всему миру, при чем на машинах с широким диапазоном вычислительных возможностей — от микропроцессоров до больших ЭВМ — и разных изготовителей. Ни о какой другой операционной системе нельзя было бы сказать того же. Популярность и успех системы UNIX объяснялись несколькими причинами:

• Система написана на языке высокого уровня, благодаря чему ее легко читать, понимать, изменять и переносить на другие машины. По оценкам, сделанным Ричи, первый вариант системы на Си имел на 20–40% больший объем и работал медленнее по сравнению с вариантом на ассемблере, однако преимущества использования языка высокого уровня намного перевешивают недостатки (см. [Ritchie 78b], стр. 1965).

• Наличие довольно простого пользовательского интерфейса, в котором имеется возможность предоставлять все необходимые пользователю услуги.

• Наличие элементарных средств, позволяющих создавать сложные программы из более простых.

• Наличие иерархической файловой системы, легкой в сопровождении и эффективной в работе.

• Обеспечение согласования форматов в файлах, работа с последовательным потоком байтов, благодаря чему облегчается чтение прикладных программ.

• Наличие простого, последовательного интерфейса с периферийными устройствами.

• Система является многопользовательской, многозадачной; каждый пользователь может одновременно выполнять несколько процессов.

Архитектура машины скрыта от пользователя, благодаря этому облегчен процесс написания программ, работающих на различных конфигурациях аппаратных средств.

Простота и последовательность вообще отличают систему UNIX и объясняют большинство из вышеприведенных доводов в ее пользу.

Хотя операционная система и большинство команд написаны на Си, система UNIX поддерживает ряд других языков, таких как Фортран, Бейсик, Паскаль, Ада, Кобол, Лисп и Пролог. Система UNIX может поддерживать любой язык программирования, для которого имеется компилятор или интерпретатор, и обеспечивать системный интерфейс, устанавливающий соответствие между пользовательскими запросами к операционной системе и набором запросов, принятых в UNIX.

На Рисунке 1.1 изображена архитектура верхнего уровня системы UNIX. Технические средства, показанные в центре диаграммы, выполняют функции, обеспечивающие функционирование операционной системы и перечисленные в разделе 1.5. Операционная система взаимодействует с аппаратурой непосредственно,[3] обеспечивая обслуживание программ и их независимость от деталей аппаратной конфигурации. Если представить систему состоящей из пластов, в ней можно выделить системное ядро, изолированное от пользовательских программ. Поскольку программы не зависят от аппаратуры, их легко переносить из одной системы UNIX в другую, функционирующую на другом комплексе технических средств, если только в этих программах не подразумевается работа с конкретным оборудованием. Например, программы, рассчитанные на определенный размер машинного слова, гораздо труднее переводить на другие машины по сравнению с программами, не требующими подобных установлений.

Программы, подобные командному процессору shell и редакторам (ed и vi) и показанные на внешнем по отношению к ядру слое, взаимодействуют с ядром при помощи хорошо определенного набора обращений к операционной системе. Обращения к операционной системе понуждают ядро к выполнению различных операций, которых требует вызывающая программа, и обеспечивают обмен данными между ядром и программой. Некоторые из программ, приведенных на рисунке, в стандартных конфигурациях системы известны как команды, однако на одном уровне с ними могут располагаться и доступные пользователю программы, такие как программа a.out, стандартное имя для исполняемого файла, созданного компилятором с языка Си. Другие прикладные программы располагаются выше указанных программ, на верхнем уровне, как это показано на рисунке. Например, стандартный компилятор с языка Си, cc, располагается на самом внешнем слое: он вызывает препроцессор для Си, ассемблер и загрузчик (компоновщик), т. е. отдельные программы предыдущего уровня. Хотя на рисунке приведена двухуровневая иерархия прикладных программ, пользователь может расширить иерархическую структуру на столько уровней, сколько необходимо. В самом деле, стиль программирования, принятый в системе UNIX, допускает разработку комбинации программ, выполняющих одну и ту же, общую задачу.

Многие прикладные подсистемы и программы, составляющие верхний уровень системы, такие как командный процессор shell, редакторы, SCCS (система обработки исходных текстов программ) и пакеты программ подготовки документации, постепенно становятся синонимом понятия «система UNIX». Однако все они пользуются услугами программ нижних уровней и в конечном счете ядра с помощью набора обращений к операционной системе. В версии V принято 64 типа обращений к операционной системе, из которых немногим меньше половины используются часто. Они имеют несложные параметры, что облегчает их использование, предоставляя при этом большие возможности пользователю. Набор обращений к операционной системе вместе с реализующими их внутренними алгоритмами составляют «тело» ядра, в связи с чем рассмотрение операционной системы UNIX в этой книге сводится к подробному изучению и анализу обращений к системе и их взаимодействия между собой. Короче говоря, ядро реализует функции, на которых основывается выполнение всех прикладных программ в системе UNIX, и им же определяются эти функции. В книге часто употребляются термины «система UNIX», «ядро» или «система», однако при этом имеется ввиду ядро операционной системы UNIX, что и должно вытекать из контекста.

В этом разделе кратко рассматриваются главные детали системы UNIX, в частности файловая система, среда выполнения процессов и элементы структурных блоков (например, каналы). Подробное исследование взаимодействия этих деталей с ядром содержится в последующих главах.

Файловая система UNIX характеризуется:

• иерархической структурой,

• согласованной обработкой массивов данных,

• возможностью создания и удаления файлов,

• динамическим расширением файлов,

• защитой информации в файлах,

• трактовкой периферийных устройств (таких как терминалы и ленточные устройства) как файлов.

Рисунок 1.2. Пример древовидной структуры файловой системы

Файловая система организована в виде дерева с одной исходной вершиной, которая называется корнем (записывается: «/»); каждая вершина в древовидной структуре файловой системы, кроме листьев, является каталогом файлов, а файлы, соответствующие дочерним вершинам, являются либо каталогами, либо обычными файлами, либо файлами устройств. Имени файла предшествует указание пути поиска, который описывает место расположения файла в иерархической структуре файловой системы. Имя пути поиска состоит из компонент, разделенных между собой наклонной чертой (/); каждая компонента представляет собой набор символов, составляющих имя вершины (файла), которое является уникальным для каталога (предыдущей компоненты), в котором оно содержится. Полное имя пути поиска начинается с указания наклонной черты и идентифицирует файл (вершину), поиск которого ведется от корневой вершины дерева файловой системы с обходом тех ветвей дерева файлов, которые соответствуют именам отдельных компонент. Так, пути «/etc/passwd», «/bin/who» и «/usr/src/cmd/who.c» указывают на файлы, являющиеся вершинами дерева, изображенного на Рисунке 1.2, а пути «/bin/passwd» и «/usr/src/date.c» содержат неверный маршрут. Имя пути поиска необязательно должно начинаться с корня, в нем следует указывать маршрут относительно текущего для выполняемого процесса каталога, при этом предыдущие символы «наклонная черта» в имени пути опускаются. Так, например, если мы находимся в каталоге «/dev», то путь «tty01» указывает файл, полное имя пути поиска для которого «/dev/tty01».

Программы, выполняемые под управлением системы UNIX, не содержат никакой информации относительно внутреннего формата, в котором ядро хранит файлы данных, данные в программах представляются как бесформатный поток байтов. Программы могут интерпретировать поток байтов по своему желанию, при этом любая интерпретация никак не будет связана с фактическим способом хранения данных в операционной системе. Так, синтаксические правила, определяющие задание метода доступа к данным в файле, устанавливаются системой и являются едиными для всех программ, однако семантика данных определяется конкретной программой. Например, программа форматирования текста troff ищет в конце каждой строки текста символы перехода на новую строку, а программа учета системных ресурсов acctcom работает с записями фиксированной длины. Обе программы пользуются одними и теми же системными средствами для осуществления доступа к данным в файле как к потоку байтов, и внутри себя преобразуют этот поток по соответствующему формату. Если любая из программ обнаружит, что формат данных неверен, она принимает соответствующие меры.

Каталоги похожи на обычные файлы в одном отношении; система представляет информацию в каталоге набором байтов, но эта информация включает в себя имена файлов в каталоге в объявленном формате для того, чтобы операционная система и программы, такие как ls (выводит список имен и атрибутов файлов), могли их обнаружить.

Права доступа к файлу регулируются установкой специальных битов разрешения доступа, связанных с файлом. Устанавливая биты разрешения доступа, можно независимо управлять выдачей разрешений на чтение, запись и выполнение для трех категорий пользователей: владельца файла, группового пользователя и прочих. Пользователи могут создавать файлы, если разрешен доступ к каталогу. Вновь созданные файлы становятся листьями в древовидной структуре файловой системы.

Для пользователя система UNIX трактует устройства так, как если бы они были файлами. Устройства, для которых назначены специальные файлы устройств, становятся вершинами в структуре файловой системы. Обращение программ к устройствам имеет тот же самый синтаксис, что и обращение к обычным файлам; семантика операций чтения и записи по отношению к устройствам в большой степени совпадает с семантикой операций чтения и записи обычных файлов. Способ защиты устройств совпадает со способом защиты обычных файлов: путем соответствующей установки битов разрешения доступа к ним (файлам). Поскольку имена устройств выглядят так же, как и имена обычных файлов, и поскольку над устройствами и над обычными файлами выполняются одни и те же операции, большинству программ нет необходимости различать внутри себя типы обрабатываемых файлов.

Например, рассмотрим программу на языке Си (Рисунок 1.3), в которой создается новая копия существующего файла. Предположим, что исполняемая версия программы имеет наименование copy. Для запуска программы пользователь вводит с терминала:

copy oldfile newfile

где oldfile — имя существующего файла, а newfile — имя создаваемого файла. Система выполняет процедуру main, присваивая аргументу argc значение количества параметров в списке argv, а каждому элементу массива argv значение параметра, сообщенного пользователем. В приведенном примере argc имеет значение 3, элемент argv[0] содержит строку символов «copy» (имя программы условно является нулевым параметром), argv[1] — строку символов «oldfile», а argv[2] — строку символов «newfile». Затем программа проверяет, правильное ли количество параметров было указано при ее запуске. Если это так, запускается операция open (открыть) для файла oldfile с параметром «read-only» (только для чтения), в случае успешного выполнения которой запускается операция creat (открыть) для файла newfile. Режим доступа к вновь созданному файлу описывается числом 0666 (в восьмеричном коде), что означает разрешение доступа к файлу для чтения и записи для всех пользователей. Все обращения к операционной системе в случае неудачи возвращают код -1; если же неудачно завершаются операции open и creat, программа выдает сообщение и запускает операцию exit (выйти) с возвращением кода состояния, равного 1, завершая свою работу и указывая на возникновение ошибки.

Операции open и creat возвращают целое значение, являющееся дескриптором файла и используемое программой в последующих ссылках на файлы. После этого программа вызывает подпрограмму copy, выполняющую в цикле операцию read (читать), по которой производится чтение в буфер порции символов из существующего файла, и операцию write (писать) для записи информации в новый файл. Операция read каждый раз возвращает количество прочитанных байтов (0 — если достигнут конец файла). Цикл завершается, если достигнут конец файла или если произошла ошибка при выполнении операции read (отсутствует контроль возникновения ошибок при выполнении операции write). Затем управление из подпрограммы copy возвращается в основную программу и запускается операция exit с кодом состояния 0 в качестве параметра, что указывает на успешное завершение выполнения программы.

Программа копирует любые файлы, указанные при ее вызове в качестве аргументов, при условии, что разрешено открытие существующего файла и создание нового файла. Файл может включать в себя как текст, который может быть выведен на печатающее устройство, например, исходный текст программы, так и символы, не выводимые на печать, даже саму программу. Таким образом, оба вызова:

copy copy.c newcopy.c

copy copy newcopy

являются допустимыми. Существующий файл также может быть каталогом. Например, по вызову:

copy . dircontents

копируется содержимое текущего каталога, обозначенного символом ".", в обычный файл «dircontents»; информация в новом файле совпадает, вплоть до каждого байта, с содержимым каталога, только этот файл обычного типа (для создания нового каталога предназначена операция mknod). Наконец, любой из файлов может быть файлом устройства. Например, программа, вызванная следующим образом:

copy /dev/tty terminalread

читает символы, вводимые с терминала (файл /dev/tty соответствует терминалу пользователя), и копирует их в файл terminalread, завершая работу только в том случае, если пользователь нажмет ‹Ctrl/d›. Похожая форма запуска программы:

copy /dev/tty /dev/tty

вызывает чтение символов с терминала и их копирование обратно на терминал.

#include <fcntl.h>

char buffer[2048];

int version = 1; /* будет объяснено в главе 2 */

main(argc, argv)

int argc;

char *argv[];

{

 int fdold, fdnew;

 if (argc!= 3) 

 {

  printf("need 2 arguments for copy program\n");

  exit(1);

 }

 fdold = open(argv[1], O_RDONLY); /* открыть исходный файл только для чтения */

 if (fdold == -1) {

  printf("cannot open file %s\n", argv[1]);

  exit(1);

 }

 fdnew = creat(argv[2], 0666); /* создать новый файл с разрешением чтения и записи для всех пользователей */

 if (fdnew == -1) 

 {

  printf("cannot create file %s\n", argv[2]);

  exit(1);

 }

 copy(fdold, fdnew);

 exit(0);

}

copy(old, new)

int old, new;

{

 int count;

 while ((count = read(old, buffer, sizeof(buffer))) > 0)

 write(new, buffer, count);

}

Рисунок 1.3. Программа копирования файла

Программой называется исполняемый файл, а процессом называется последовательность операций программы или часть программы при ее выполнении. В системе UNIX может одновременно выполняться множество процессов (эту особенность иногда называют мультипрограммированием или многозадачным режимом), при чем их число логически не ограничивается, и множество частей программы (такой как copy) может одновременно находиться в системе. Различные системные операции позволяют процессам порождать новые процессы, завершают процессы, синхронизируют выполнение этапов процесса и управляют реакцией на наступление различных событий. Благодаря различным обращениям к операционной системе, процессы выполняются независимо друг от друга.

Например, процесс, выполняющийся в программе, приведенной на Рисунке 1.4, запускает операцию fork, чтобы породить новый процесс. Новый процесс, именуемый порожденным процессом, получает значение кода завершения операции fork, равное 0, и активизирует операцию execl, которая выполняет программу copy (Рисунок 1.3). Операция execl загружает файл „copy“, который предположительно находится в текущем каталоге, в адресное пространство порожденного процесса и запускает программу с параметрами, полученными от пользователя. В случае успешного выполнения операции execl управление в вызвавший ее процесс не возвращается, поскольку процесс выполняется в новом адресном пространстве (подробнее об этом в главе 7). Тем временем, процесс, запустивший операцию fork (родительский процесс), получает ненулевое значение кода завершения операции, вызывает операцию wait, которая приостанавливает его выполнение до тех пор, пока не закончится выполнение программы copy, и завершается (каждая программа имеет выход в конце главной процедуры, после которой располагаются программы стандартных библиотек Си, подключаемые в процессе компиляции). Например, если исполняемая программа называется run, пользователь запускает ее следующим образом:

run oldfile newfile

Процесс выполняет копирование файла с именем „oldfile“ в файл с именем „newfile“ и выводит сообщение. Хотя данная программа мало что добавила к программе „copy“, в ней появились четыре основных обращения к операционной системе, управляющие выполнением процессов: fork, exec, wait и exit.

main(argc, argv)

int argc;

char *argv[];

{ /* предусмотрено 2 аргумента: исходный файл и новый файл */

 if (fork() == 0) execl("copy", "copy", argv[1], argv[2], 0);

 wait((int *)0);

 printf("copy done\n");

}

Рисунок 1.4. Программа порождения нового процесса, выполняющего копирование файлов

Вообще использование обращений к операционной системе дает возможность пользователю создавать программы, выполняющие сложные действия, и как следствие, ядро операционной системы UNIX не включает в себя многие функции, являющиеся частью «ядра» в других системах. Такие функции, и среди них компиляторы и редакторы, в системе UNIX являются программами пользовательского уровня. Наиболее характерным примером подобной программы может служить командный процессор shell, с которым обычно взаимодействуют пользователи после входа в систему. Shell интерпретирует первое слово командной строки как имя команды: во многих командах, в том числе и в командах fork (породить новый процесс) и exec (выполнить порожденный процесс), сама команда ассоциируется с ее именем, все остальные слова в командной строке трактуются как параметры команды.

Shell обрабатывает команды трех типов. Во-первых, в качестве имени команды может быть указано имя исполняемого файла в объектном коде, полученного в результате компиляции исходного текста программы (например, программы на языке Си). Во-вторых, именем команды может быть имя командного файла, содержащего набор командных строк, обрабатываемых shell'ом. Наконец, команда может быть внутренней командой языка shell (в отличие от исполняемого файла). Наличие внутренних команд делает shell языком программирования в дополнение к функциям командного процессора; командный язык shell включает команды организации циклов (for-in-do-done и while-do-done), команды выполнения по условиям (if-then-else-fi), оператор выбора, команду изменения текущего для процесса каталога (cd) и некоторые другие. Синтаксис shell'а допускает сравнение с образцом и обработку параметров. Пользователям, запускающим команды, нет необходимости знать, какого типа эти команды.

Командный процессор shell ищет имена команд в указанном наборе каталогов, который можно изменить по желанию пользователя, вызвав shell. Shell обычно исполняет команду синхронно, с ожиданием завершения выполнения команды прежде, чем считать следующую командную строку. Тем не менее, допускается и асинхронное исполнение, когда очередная командная строка считывается и исполняется, не дожидаясь завершения выполнения предыдущей команды. О командах, выполняемых асинхронно, говорят, что они выполняются на фоне других команд. Например, ввод команды

who

вызывает выполнение системой программы, хранящейся в файле /bin/who[4] и осуществляющей вывод списка пользователей, которые в настоящий момент работают с системой. Пока команда who выполняется, командный процессор shell ожидает завершения ее выполнения и только затем запрашивает у пользователя следующую команду. Если же ввести команду

who&

система выполнит программу who на фоне и shell готов немедленно принять следующую команду.

В среду выполнения каждого процесса в системе UNIX включается текущий каталог. Текущий для процесса каталог является начальным каталогом, имя которого присоединяется ко всем именам путей поиска, которые не начинаются с наклонной черты. Пользователь может запустить внутреннюю команду shell'а cd (изменить каталог) для перемещения по дереву файловой системы и для смены текущего каталога. Командная строка

cd /usr/src/uts

делает текущим каталог «/usr/src/uts». Командная строка

cd ../..

делает текущим каталог, который на две вершины «ближе» к корню (корневому каталогу): параметр «..» относится к каталогу, являющемуся родительским для текущего.

Поскольку shell является пользовательской программой и не входит в состав ядра операционной системы, его легко модифицировать и помещать в конкретные условия эксплуатации. Например, вместо командного процессора Баурна (называемого так по имени его создателя, Стива Баурна), являющегося частью версии V стандартной системы, можно использовать процессор команд Си, обеспечивающий работу механизма ведения истории изменений и позволяющий избегать повторного ввода только что использованных команд. В некоторых случаях при желании можно воспользоваться командным процессором shell с ограниченными возможностями, являющимся предыдущей версией обычного shell'а. Система может работать с несколькими командными процессорами одновременно. Пользователи имеют возможность запускать одновременно множество процессов, процессы же в свою очередь могут динамически порождать новые процессы и синхронизировать их выполнение. Все эти возможности обеспечиваются благодаря наличию мощных программных и аппаратных средств, составляющих среду выполнения процессов. Хотя привлекательность shell'а в наибольшей степени определяется его возможностями как языка программирования и его возможностями в обработке аргументов, в данном разделе основное внимание концентрируется на среде выполнения процессов, управление которой в системе возложено на командный процессор shell. Другие важные особенности shell'а выходят за рамки настоящей книги (подробное описание shell'а см. в [Bourne 78]).

Как уже говорилось ранее, концепция разработки системы UNIX заключалась в построении операционной системы из элементов, которые позволили бы пользователю создавать небольшие программные модули, выступающие в качестве конструкционных блоков при создании более сложных программ. Одним из таких элементов, с которым часто сталкиваются пользователи при работе с командным процессором shell, является возможность переназначения ввода-вывода. Говоря условно, процессы имеют доступ к трем файлам: они читают из файла стандартного ввода, записывают в файл стандартного вывода и выводят сообщения об ошибках в стандартный файл ошибок. Процессы, запускаемые с терминала, обычно используют терминал вместо всех этих трех файлов, однако каждый файл независимо от других может быть «переназначен». Например, команда

ls

выводит список всех файлов текущего каталога на устройство (в файл) стандартного вывода, а команда

ls › output

переназначает выводной поток со стандартного вывода в файл «output» в текущем каталоге, используя вышеупомянутый системный вызов creat. Подобным же образом, команда

mail mjb ‹ letter

открывает (с помощью системного вызова open) файл «letter» в качестве файла стандартного ввода и пересылает его содержимое пользователю с именем «mjb». Процессы могут переназначать одновременно и ввод, и вывод, как, например, в командной строке:

nroff -mm ‹ doc1 › doc1.out 2› errors

где программа форматирования nroff читает вводной файл doc1, в качестве файла стандартного вывода задает файл doc1.out и выводит сообщения об ошибках в файл errors («2›» означает переназначение вывода, предназначавшегося для файла с дескриптором 2, который соответствует стандартному файлу ошибок). Программы ls, mail и nroff не знают, какие файлы выбраны в качестве файлов стандартного ввода, стандартного вывода и записи сообщений об ошибках; командный процессор shell сам распознает символы «‹», «›» и «2›» и назначает в соответствии с их указанием файлы для стандартного ввода, стандартного вывода и записи сообщений об ошибках непосредственно перед запуском процессов.

Вторым конструкционным элементом является канал, механизм, обеспечивающий информационный обмен между процессами, выполнение которых связано с операциями чтения и записи. Процессы могут переназначать выводной поток со стандартного вывода на канал для чтения с него другими процессами, переназначившими на канал свой стандартный ввод. Данные, посылаемые в канал первыми процессами, являются входными для вторых процессов. Вторые процессы так же могут переназначить свой выводной поток и так далее, в зависимости от пожеланий программиста. И снова, так же как и в вышеуказанном случае, процессам нет необходимости знать, какого типа файл используется в качестве файла стандартного вывода; их выполнение не зависит от того, будет ли файлом стандартного вывода обычный файл, канал или устройство. В процессе построения больших и сложных программ из конструкционных элементов меньшего размера программисты часто используют каналы и переназначение ввода-вывода при сборке и соединении отдельных частей. И действительно, такой стиль программирования находит поддержку в системе, благодаря чему новые программы могут работать вместе с существующими программами.

Например, программа grep производит поиск контекста в наборе файлов (являющихся параметрами программы) по следующему образцу:

grep main a.c b.c c.c

где «main» — подстрока, поиск которой производится в файлах a.c, b.c и c.c с выдачей в файл стандартного вывода тех строк, в которых она содержится. Содержимое выводного файла может быть следующим:

a. c: main(argc,argv)

c. c: /* here is the main loop in the program */

c. c: main()

Программа wc с необязательным параметром -l подсчитывает число строк в файле стандартного ввода. Командная строка

grep main a.c b.c c.c | wc -l

вызовет подсчет числа строк в указанных файлах, где будет обнаружена подстрока «main»; выводной поток команды grep поступит непосредственно на вход команды wc. Для предыдущего примера результат будет такой:

3

Использование каналов зачастую делает ненужным создание временных файлов.

На Рисунке 1.1 уровень ядра операционной системы изображен непосредственно под уровнем прикладных программ пользователя. Выполняя различные элементарные операции по запросам пользовательских процессов, ядро обеспечивает функционирование пользовательского интерфейса, описанного выше. Среди функций ядра можно отметить:

• Управление выполнением процессов посредством их создания, завершения или приостановки и организации взаимодействия между ними.

• Планирование очередности предоставления выполняющимся процессам времени центрального процессора (диспетчеризация). Процессы работают с центральным процессором в режиме разделения времени: центральный процессор[5] выполняет процесс, по завершении отсчитываемого ядром кванта времени процесс приостанавливается и ядро активизирует выполнение другого процесса. Позднее ядро запускает приостановленный процесс.

• Выделение выполняемому процессу оперативной памяти. Ядро операционной системы дает процессам возможность совместно использовать участки адресного пространства на определенных условиях, защищая при этом адресное пространство, выделенное процессу, от вмешательства извне. Если системе требуется свободная память, ядро освобождает память, временно выгружая процесс на внешние запоминающие устройства, которые называют устройствами выгрузки. Если ядро выгружает процессы на устройства выгрузки целиком, такая реализация системы UNIX называется системой со свопингом (подкачкой); если же на устройство выгрузки выводятся страницы памяти, такая система называется системой с замещением страниц.

• Выделение внешней памяти с целью обеспечения эффективного хранения информации и выборка данных пользователя. Именно в процессе реализации этой функции создается файловая система. Ядро выделяет внешнюю память под пользовательские файлы, мобилизует неиспользуемую память, структурирует файловую систему в форме, доступной для понимания, и защищает пользовательские файлы от несанкционированного доступа.

Управление доступом процессов к периферийным устройствам, таким как терминалы, ленточные устройства, дисководы и сетевое оборудование.

Выполнение ядром своих функций довольно очевидно. Например, оно узнает, что данный файл является обычным файлом или устройством, но скрывает это различие от пользовательских процессов. Так же оно, форматируя информацию файла для внутреннего хранения, защищает внутренний формат от пользовательских процессов, возвращая им неотформатированный поток байтов. Наконец, ядро реализует ряд необходимых функций по обеспечению выполнения процессов пользовательского уровня, за исключением функций, которые могут быть реализованы на самом пользовательском уровне. Например, ядро выполняет действия, необходимые shell'у как интерпретатору команд: оно позволяет процессору shell читать вводимые с терминала данные, динамически порождать процессы, синхронизировать выполнение процессов, открывать каналы и переадресовывать ввод-вывод. Пользователи могут разрабатывать свои версии командного процессора shell с тем, чтобы привести рабочую среду в соответствие со своими требованиями, не затрагивая других пользователей. Такие программы пользуются теми же услугами ядра, что и стандартный процессор shell.

Выполнение пользовательских процессов в системе UNIX осуществляется на двух уровнях: уровне пользователя и уровне ядра. Когда процесс производит обращение к операционной системе, режим выполнения процесса переключается с режима задачи (пользовательского) на режим ядра: операционная система пытается обслужить запрос пользователя, возвращая код ошибки в случае неудачного завершения операции. Даже если пользователь не нуждается в каких-либо определенных услугах операционной системы и не обращается к ней с запросами, система еще выполняет учетные операции, связанные с пользовательским процессом, обрабатывает прерывания, планирует процессы, управляет распределением памяти и т. д. Большинство вычислительных систем разнообразной архитектуры (и соответствующие им операционные системы) поддерживают большее число уровней, чем указано здесь, однако уже двух режимов, режима задачи и режима ядра, вполне достаточно для системы UNIX.

Основные различия между этими двумя режимами:

В режиме задачи процессы имеют доступ только к своим собственным инструкциям и данным, но не к инструкциям и данным ядра (либо других процессов). Однако в режиме ядра процессам уже доступны адресные пространства ядра и пользователей. Например, виртуальное адресное пространство процесса может быть поделено на адреса, доступные только в режиме ядра, и на адреса, доступные в любом режиме.

Некоторые машинные команды являются привилегированными и вызывают возникновение ошибок при попытке их использования в режиме задачи. Например, в машинном языке может быть команда, управляющая регистром состояния процессора; процессам, выполняющимся в режиме задачи, она недоступна.

Рисунок 1.5. Процессы и режимы их выполнения

Проще говоря, любое взаимодействие с аппаратурой описывается в терминах режима ядра и режима задачи и протекает одинаково для всех пользовательских программ, выполняющихся в этих режимах. Операционная система хранит внутренние записи о каждом процессе, выполняющемся в системе. На Рисунке 1.5 показано это разделение: ядро делит процессы A, B, C и D, расположенные вдоль горизонтальной оси, аппаратные средства вводят различия между режимами выполнения, расположенными по вертикали.

Несмотря на то, что система функционирует в одном из двух режимов, ядро действует от имени пользовательского процесса. Ядро не является какой-то особой совокупностью процессов, выполняющихся параллельно с пользовательскими, оно само выступает составной частью любого пользовательского процесса. Сделанный вывод будет скорее относиться к «ядру», распределяющему ресурсы, или к «ядру», производящему различные операции, и это будет означать, что процесс, выполняемый в режиме ядра, распределяет ресурсы и производит соответствующие операции. Например, командный процессор shell считывает вводной поток с терминала с помощью запроса к операционной системе. Ядро операционной системы, выступая от имени процессора shell, управляет функционированием терминала и передает вводимые символы процессору shell. Shell переходит в режим задачи, анализирует поток символов, введенных пользователем и выполняет заданную последовательность действий, которые могут потребовать выполнения и других системных операций.

Система UNIX позволяет таким устройства, как внешние устройства ввода-вывода и системные часы, асинхронно прерывать работу центрального процессора. По получении сигнала прерывания ядро операционной системы сохраняет свой текущий контекст (застывший образ выполняемого процесса), устанавливает причину прерывания и обрабатывает прерывание. После того, как прерывание будет обработано ядром, прерванный контекст восстановится и работа продолжится так, как будто ничего не случилось. Устройствам обычно приписываются приоритеты в соответствии с очередностью обработки прерываний. В процессе обработки прерываний ядро учитывает их приоритеты и блокирует обслуживание прерывания с низким приоритетом на время обработки прерывания с более высоким приоритетом.

Особые ситуации связаны с возникновением незапланированных событий, вызванных процессом, таких как недопустимая адресация, задание привилегированных команд, деление на ноль и т. д. Они отличаются от прерываний, которые вызываются событиями, внешними по отношению к процессу. Особые ситуации возникают прямо «посредине» выполнения команды, и система, обработав особую ситуацию, пытается перезапустить команду; считается, что прерывания возникают между выполнением двух команд, при этом система после обработки прерывания продолжает выполнение процесса уже начиная со следующей команды. Для обработки прерываний и особых ситуаций в системе UNIX используется один и тот же механизм.

Ядро иногда обязано предупреждать возникновение прерываний во время критических действий, могущих в случае прерывания запортить информацию. Например, во время обработки списка с указателями возникновение прерывания от диска для ядра нежелательно, т. к. при обработке прерывания можно запортить указатели, что можно увидеть на примере в следующей главе. Обычно имеется ряд привилегированных команд, устанавливающих уровень прерывания процессора в слове состояния процессора. Установка уровня прерывания на определенное значение отсекает прерывания этого и более низких уровней, разрешая обработку только прерываний с более высоким приоритетом. На Рисунке 1.6 показана последовательность уровней прерывания. Если ядро игнорирует прерывания от диска, в этом случае игнорируются и все остальные прерывания, кроме прерываний от часов и машинных сбоев.

Рисунок 1.6. Стандартные уровни прерываний

Ядро постоянно располагается в оперативной памяти, наряду с выполняющимся в данный момент процессом (или частью его, по меньшей мере). В процессе компиляции программа-компилятор генерирует последовательность адресов, являющихся адресами переменных и информационных структур, а также адресами инструкций и функций. Компилятор генерирует адреса для виртуальной машины так, словно на физической машине не будет выполняться параллельно с транслируемой ни одна другая программа.

Когда программа запускается на выполнение, ядро выделяет для нее место в оперативной памяти, при этом совпадение виртуальных адресов, сгенерированных компилятором, с физическими адресами совсем необязательно. Ядро, взаимодействуя с аппаратными средствами, транслирует виртуальные адреса в физические, т. е. отображает адреса, сгенерированные компилятором, в физические, машинные адреса. Такое отображение опирается на возможности аппаратных средств, поэтому компоненты системы UNIX, занимающиеся им, являются машинно-зависимыми. Например, отдельные вычислительные машины имеют специальное оборудование для подкачки выгруженных страниц памяти. Главы 6 и 9 посвящены более подробному рассмотрению вопросов, связанных с распределением памяти, и исследованию их соотношения с аппаратными средствами.

В этой главе описаны полная структура системы UNIX, взаимоотношения между процессами, выполняющимися в режиме задачи и в режиме ядра, а также аппаратная среда функционирования ядра операционной системы. Процессы выполняются в режиме задачи или в режиме ядра, в котором они пользуются услугами системы благодаря наличию набора обращений к операционной системе. Архитектура системы поддерживает такой стиль программирования, при котором из небольших программ, выполняющих только отдельные функции, но хорошо, составляются более сложные программы, использующие механизм каналов и переназначение ввода-вывода.

Обращения к операционной системе позволяют процессам производить операции, которые иначе не выполняются. В дополнение к обработке подобных обращений ядро операционной системы осуществляет общие учетные операции, управляет планированием процессов, распределением памяти и защитой процессов в оперативной памяти, обслуживает прерывания, управляет файлами и устройствами и обрабатывает особые ситуации, возникающие в системе. В функции ядра системы UNIX намеренно не включены многие функции, являющиеся частью других операционных систем, поскольку набор обращений к системе позволяет процессам выполнять все необходимые операции на пользовательском уровне. В следующей главе содержится более детальная информация о ядре, описывающая его архитектуру и вводящая некоторые основные понятия, которые используются при описании его функционирования.

Примечания:

1

Организации, получившие права на перепродажу с надбавкой к цене за дополнительные услуги, оснащают вычислительную систему прикладными программами, касающимися конкретных областей применения, стремясь удовлетворить требования рынка. Такие организации чаще продают прикладные программы, нежели операционные системы, под управлением которых эти программы работают.

2

А что же версия IV? Модификация внутреннего варианта системы получила название «версия V».

3

В некоторых реализациях системы UNIX операционная система взаимодействует с собственной операционной системой, которая, в свою очередь, взаимодействует с аппаратурой и выполняет необходимые функции по обслуживанию системы. В таких реализациях допускается инсталляция других операционных систем с загрузкой под их управлением прикладных программ параллельно с системой UNIX. Классическим примером подобной реализации явилась система MERT [Lycklama 78a]. Более новым примером могут служить реализации для компьютеров серии IBM 370 [Felton 84] и UNIVAC 1100 [Bodenstab 84].

4

Каталог «/bin» содержит большинство необходимых команд и обычно входит в число каталогов, в которых ведет поиск командный процессор shell.

5

В главе 12 рассматриваются многопроцессорные системы; до того речь будет идти об однопроцессорной модели.